31.1.2020
Tässä kirjoituksessa jatketaan sarjaa, jossa käsitellään 3D-mittauksen ja -mallinnuksen keskeisiä käsitteitä helpolla tavalla.
Tämä osa käsittelee digitaalisten 3D-mallien esitys- ja katselutapoja. 3D-malleja ja niistä koostuvia virtuaalisia ympäristöjä voidaan katsella monien eri laitteistojen avulla. Perinteisesti digitaalisia 3D-malleja on tarkasteltu tietokoneen näyttöruudulta, mutta keinot 3D-mallien katselulle ovat sittemmin laajentuneet esimerkiksi virtuaalitodellisuuden ja lisätyn todellisuuden laitteistojen tultua kuluttajien ulottuville.
3D-malleja näytöllä
Digitaalisten 3D-mallien kehittymisen mukana kehittyivät myös niiden tietokoneella tapahtuvan interaktiivisen esittämisen menetelmät. Tästä johtuen erilaisilla katseluohjelmilla tapahtuva 3D-mallien esittäminen tietokoneen näytöllä onkin vanhin digitaalisten 3D-mallien tarkastelun menetelmä.
3D-aineistojen katselussa on hyödyllistä erottaa ennalta laskettujen kuvien ja videoiden katselu sekä mallien interaktiivinen tarkastelu. Käyttäjän kannalta näiden kahden merkittävin ero on, että interaktiivisesti katseltaessa mallissa voidaan liikkua vapaasti, kun taas ennakkoon laskettujen kuvien perusteella mallia voidaan katsoa vaan valituista pisteistä. Mallin interaktiivinen katselu edellyttää kuitenkin enemmän laskentatehoa, kun esityskuva joudutaan tuottamaan “livenä” useita kertoja sekunnissa, käyttäjän liikkumisen mukaan.
Selainpohjaiset 3D-alustat
Tietotekniikan kehityksen myötä 3D-malleja voidaan nykyään tarkastella myös internet-selaimella, jolloin mallia ei tarvitse esimerkiksi ladata omalle tietokoneelle. Tällöin käyttäjä ei myöskään enää tarvitse erillistä ohjelmaa mallin katseluun.
Kaupalliset toimijat ovat kehittäneet ja julkaisseet verkossa toimivia palvelualustoja, joilla 3D-objekteja ja -malleja voidaan tarkastella. Esimerkiksi Sketchfabissa käyttäjä voi esimerkiksi julkaista omia 3D-tuotoksiaan palvelun muiden käyttäjien tarkasteltavaksi. Monesti näitä alustoja voidaan myös käyttää suoraan uusilla mobiililaitteilla, esim. tablet tietokoneilla.
Erilaisia näyttölaitteita
3D-malleista voidaan laskea myös kahdesta vierekkäisestä näkymästä koostuvia stereokuvia, joissa käyttäjä näkee syvyysvaikutelman. Myös interaktiiviset sovellukset voivat hyödyntää stereoskooppista esitystä. Näyttölaitteiden kehityksen myötä kuluttajakäyttöön on tarjottu stereokuvan esittämiseen sopivia näyttötekniikoita, kuten ns. 3D-laseja, jotka sopivaan näyttöön yhdistettynä mahdollistavat stereokuvien katselun.
Pelimoottoriteknologia
3D-mallien interaktiivinen katselu on hyvin keskeinen osa 3D-pelimoottoreiden teknologiaa. Monia 3D-mallien esittämisen menetelmiä ja kuluttajien saatavilla olevia laitteita onkin kehitetty peliteollisuuden motivoimina: esimerkiksi monet lisätyn- ja virtuaalitodellisuuden sovellukset hyödyntävät pelimoottoriteknologiaa.
3D-malleja on kuitenkin erilaisia. Esimerkiksi tuotesuunnittelussa ja arkkitehtuurissa käytettävät mallit, 3D-kartoituksella tuotetut kaupunkiympäristön mallit ja peleissä sisältönä käytettävät 3D-mallit eroavat toisistaan merkittävästi, niin datamäärien kuin rakenteellisen toteutuksensa osalta. Tästä johtuen esimerkiksi rakennusten suunnittelumalleja tai 3D-kartoituksella tuotettuja malleja joudutaan useimmiten käsittelemään ennen esityskäyttöä, jotta ne saadaan pelimoottoreille sopivaan muotoon.
Virtuaalitodellisuus
Sekä Lisätyn- että virtuaalitodellisuuden teknologia on arkipäiväistynyt viime vuosina voimakkaasti.
Virtuaalitodellisuuden (Engl. Virtual Reality, VR) teknologia mahdollistaa tehokkaasti ns. immersiivisen katselukokemuksen, eli kokemuksen jossa katsoja kokee olevansa virtuaalitodellisuuden sisällä. Käytännössä mahdollisimman tehokas immersio saadaan aikaan vain 3D-malliin perustuvan virtuaalitodellisuuden kautta, mikä mahdollistaa 360-asteen kuvaan tai videoon verrattuna käyttäjän vapaan liikkumisen virtuaalitodellisuuden sisällä.
VR-kokemuksen tarjoamat immersion tasot.
Tämän 3D-malleihin pohjautuvan virtuaalitodellisuuden kokemisen kannalta olennaisimpia teknologioita ovat:
- Näyttöteknologia, joka sulkee käyttäjän ulos todellisesta maailmasta, esimerkiksi VR-lasit
- Käyttäjän asennon- ja liikkeenseurantateknologia, joka mahdollistaa lasien sijainnin ja käyttäjän katseen suunnan selvittämisen reaaliaikaisesti sekä esimerkiksi kädessä pidettävien ohjaimien paikan ja asennon seurannan.
- 3D-grafiikan reaaliaikainen renderöintiteknologia, esimerkiksi 3D-pelimoottori, joka tuottaa käyttäjälle katseen suuntaa vastaavan näkymän riittävän nopeasti.
- Teknologia realististen 3D-mallien tuottamiseksi.
Kaikki edellä mainitut teknologiat ovat ottaneet merkittäviä kehitysaskeleita viime vuosina. Päähän puettavien virtuaalilasien (Head Mounted Display, HMD) lisäksi virtuaalitodellisuuden kokemuksia voidaan toteuttaa suurista näyttöpinnoista koostuvien virtuaalitilojen avulla (Cave Automatic Virtual Environment, CAVE).
Lisätty todellisuus
Lisätyllä todellisuudella (Augmented Reality, AR) tarkoitetaan kokemusta tai näkymää, jossa käyttäjän näkemään todelliseen maailmaan lisätään virtuaalista tietoa kuten tekstiä, kuvia, videoita tai 3D-malleja. Tätä lisättyä sisältöä voidaan kokea monilla eri tavoin, kuten katsomalla lisätyn todellisuuden maailmaa mobiililaitteen näytön tarjoaman “ikkunan kautta” tai päähän puettavien AR-lasien (esim. Microsoft Hololens tai Varjo XR-1) tarjoaman näkymän kautta.
Tyypillisesti lisätyn todellisuuden kokemus toteutetaan joko niin, että käyttäjän katsoma virtuaalinen sisältö lisätään kameran kautta tulevan videonäkymän päälle (video see-through), tai että käyttäjä näkee virtuaalisen sisällön läpinäkyvän näyttöpinnan läpi (optical see-through). Edellisten ohella todelliseen maailmaan voidaan myös lisätä virtuaalista sisältöä projektorilla heijastamalla nk. 3D projection mapping -tekniikan avulla (esim. AR Sandbox).
Esimerkiksi esittävät taiteet voivat hyödyntää
lisättyä todellisuutta vaikkapa konserttielämyksen visualisoinnissa.
Esimerkkinä Paula Vesalan lokakuussa 2019 järjestetyn konsertin
AR-installaatiot, joita konserttikävijä pystyi katselemaan kännykkänsä avulla (https://yle.fi/uutiset/3-11038501). Samoin näyttelyissä voidaan hyödyntää lisätyn
todellisuuden sovelluksia.
Erilaisia virtuaalisen- ja lisätyn todellisuuden yleiskäsitteitä
Lisätyn- ja virtuaalitodellisuuden eri muodoista käytetään myös paljon muita käsitteitä, kuten sekoitettu todellisuus (Mixed Reality, MR) tai XR (Extended Reality, XR), joita käytetään usein myös yleiskäsitteinä lisätylle- ja virtuaalitodellisuudelle. Tätä käsitteiden viidakkoa voidaan ymmärtää jatkumona todellisuuden ja virtuaalisuuden välillä.
Todellisuuden ja virtuaalisuuden jatkumo (mukaillen Milgram & Kishino, 1994).
Terminologiaa
VR / virtuaalitodellisuus: Virtuaalitodellisuudella viitataan usein tietokoneella luotuun digitaaliseen keinotodellisuuteen, josta käytetään lyhennettä VR (Virtual Reality).
VR-lasit: Virtuaalitodellisuuslasit ovat päähän puettavia laitteita, joiden avulla käyttäjä voi esimerkiksi havainnoida kolmiulotteista virtuaalitodellisuutta tai 360-kuvaa.
AR / lisätty todellisuus – Lisätty todellisuus esittää kolmiulotteisen objektin todellisen näkymän päällä. AR-tekniikan avulla voidaan siis nimensä mukaisesti tuoda lisäinformaatiota, ml. kuvia ja videota, todelliseen ympäristöön.
XR / sekoitettu todellisuus: XR tai sekoitettu todellisuus on yleisnimi lisätylle ja virtuaalitodellisuudelle.
Mobiili-AR-sovellukset (handheld AR): Lisättyä todellisuutta voi hyödyntää mobiililaitteiden sovellusten avulla. Esimerkiksi suomalaisen Arilyn-yrityksen ohjelmistojen avulla voi tuottaa omia lisätyn todellisuuden kokeiluja.
Päähänpuettava AR (headmounted AR): Lisättyä todellisuutta voi hyödyntää myös päähänpuettavien laitteiden avulla, joista esimerkkinä on Microsoft Hololens. Myös suomalainen Varjo on tuonut markkinoille päähän puettavan AR-laitteen nimeltä XR-1.
3D-CAVE: Valkokankaille tai huoneen seinille heijastettu kolmiulotteinen tila, jonka avulla useampi ihminen voi tarkastella 3D-esitystä samaan aikaan ja esimerkiksi toimia yhdessä suunnittelutilanteessa.
AR-Hiekkalaatikko (AR Sandbox): AR Sandbox eli lisätyn todellisuuden hiekkalaatikko sisältää nimensä mukaan sekä hiekkaa (tai vastaavaa muovautuvaa ainesta) sekä lisätyn todellisuuden tason. Lisätyn todellisuuden avulla hiekkalaatikkoon lisätään epätodellisia, simuloivia ja visuaalisia elementtejä. Esimerkiksi maan pinnanmuotoja ja vesien kulkeutumista voidaan havainollistaa AR hiekkalaatikon avulla. Toisaalta AR hiekkalaatikkoa voidaan käyttää myös osallistavassa ja yhteissuunnittelussa apuna. Oheisesta linkistä voit lukea (englanniksi), miten voit rakentaa oman AR hiekkalaatikon: https://arsandbox.ucdavis.edu/instructions/
Kirjoittajat: Juho-Pekka Virtanen, Arttu Julin, Kaisa Jaalama & Hannu Hyyppä
Rakennetun ympäristön laitos / Rakennetun ympäristön mittauksen ja mallinnuksen instituutti /Aalto-yliopisto
***
Kirjoitus on laadittu osana Creve 2.0 -hanketta. Creve 2.0 -hankkeessa rakennetaan luovien alojen valtakunnallista yrityspalveluverkostoa ja uusia tulevaisuuden tarpeisiin vastaavia palveluja aloittaville luovien alojen yrittäjille. Hankeen toteutusaika on 05/2018 – 12/2020. Hanke on rahoitettu Luovan osaamisen ESR-ohjelmasta.
